Принципы построения систем передачи дискретных сообщений

1. Основные понятия о дискретном сообщении и сигнале

2. Преобразование сообщения в СПДИ

3. Первичное кодирование дискретных сообщений

4. Количество информации и избыточность ДС Заключение Список литературы

Жизнедеятельность человека связана с информационным хранением, обработкой, приёмом.

Информация-это совокупность каких-либо сведений.

Информация часто возникает не там, где она используется, поэтому важнейшей проблемой является передача информации.

Все многообразие источников информации можно разделить на:

— непрерывные;

— дискретные.

Аналоговая информация характеризуется бесконечным множеством знаков, на протяжении конечного промежутка времени.

Дискретная информация характеризуется конечным числом значений.

Дискретная информация вырабатывается в виде отдельных символов и может вырабатываться различными датчиками, компьютерами, телеграфными аппаратами или дискретными аналоговыми сигналами.

Существует 2 направления:

— передача данных;

— телеграфирование.

Передача данных возникла с появлением необходимости сбора, передачи и обработки больших объёмов информации. Для поддержания сложных технических процессов был создан ЭВМ.

1. Основные понятия о дискретном сообщении и сигнале

Информация представленная в определённом виде называется сообщением. Всякое сообщение является совокупностью сведений о состоянии каких-либо материальных систем. Эти сведения передаются человеком или устройством, которое имеет возможности получить эти сведения из непосредственного наблюдения.

Обычно сообщение представляют в виде каких-либо математических моделей. Чаще всего используют случайные процессы, наблюдаемые материальной системой вместе с наблюдателем-источником информации.

Важна физическая форма и математическое представление.

Формы представления информации:

— письменный текст;

— речь;

— музыка;

— графическое изображение.

Не всякое сообщение несёт информацию, если принять сообщение не снимает определённость ситуации, то такие сообщения информации не несут.

Информацию, содержащуюся в некотором сообщении можно оценить количественно:

Источник информации выбирает сообщение из некоторого множества сообщений, которые содержат сведения о состоянии реальной материальной системы. Эта система может иметь ряд состояний, которые представляют функцию времени x (t), которая имеет 4 разновидности:

1) непрерывная функция непрерывного аргумента x (t) в конечном интервале времени в произвольный момент времени может принимать любое значение из бесконечного множества;

2) непрерывная функция дискретного аргумента

3) дискретная функция непрерывного аргумента. На конечном интервале времени в произвольный момент может принимать любое значение из дискретного множества;

4) дискретная функция дискретного аргумента x (t) в некотором конечном интервале времени может принимать любое значение из фиксированного множества значений в фиксированный момент времени.

Сообщения, выработанные дискретными источниками, называются дискретными сообщениями.

Всегда непрерывная информация может превратиться в дискретную, с помощью дискретизации по времени и квантованию по уровню и наоборот.

Для передачи информации от источника к получателю необходим переносчик.

Требования:

— должен обладать достаточной устойчивостью своих параметров в пространстве и во времени.

Физическая природа и характеристика связаны с физической средой между источником и получателем, которая называется канал связи.

В качестве канала связи используется:

— естественная физическая среда;

— искусственно созданные среды.

В канала связи так же включается совокупность технических средств, предназначенных для передачи.

Чтобы переносчик мог выполнять свою функцию его характеристики должны изменяться под действием сообщения. Должна существовать однозначная связь.

Переносчик, параметры которого находятся в однозначном информационном сообщении, называется сигналом. Независимо от физической сущности можно рассматривать как множество z (t). Для дискретного сообщения из множества, А множество сигналов так же дискретно.

Канал связи вместе с источником информации и получателем при заданных методах преобразует сообщение в сигнал и наоборот называется системой связи.

2. Преобразование сообщения в СПДИ

Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и обратного преобразования на приёме может быть представлено в виде таблицы, в которой каждое сообщение из конечного множества, А сопоставляется сигнал из конечного множества Z их преобразованных сообщений в сигнал называется кодированием, при большом, А составление и хранение кодовой таблицы оказывается практически неосуществимо. Поэтому такой способ используется при ограниченном множестве А.

В большинстве случаев производится расчленение всех сообщений или символов, которые образуют множество Х-алфавит.

Каждое сообщение из множества, А может быть представлено в виде последовательности элементов множества Х

L — число элементовдлина сообщения в алфавите Х.

В этом случае задача составления кодовой таблицы упрощается. Обычно при большом объёме Х прибегают к дополнительному преобразованию, алфавит Y, который имеет меньший объём. Правила преобразования символов алфавита Х в Y называется первичным кодированием. В дальнейшем под кодированием будем понимать отображение сообщения последовательностью заранее выбранных символов. Метод кодирования зависит от свойств канала связи. Кодирование сообщения производится специальным устройством, входящее в состав источника — кодер. У получателя — декодер. Назначение декодера — это отображение каждой принятой комбинации в соответствии с переданным символом. Процесс преобразования сообщения в сигнал кроме кодирования включает операцию модуляции. Под дискретной модуляцией — манипуляцией понимают процесс преобразования кодовых символов в последовательность элементов символов. Обратный процесс называется демодулированием. В кодере источником сообщения происходит первичное кодирование и первичная модуляция.

Под модуляцией понимается изменение одного или нескольких параметров. Сообщение поступает от источника в систему передачи, подвергается различным преобразованиям. Они могут быть как специально предусмотренные и направленные на достижение конкретных положительных результатов, так и нежелательным преобразованиям, приводящих к искажению сигнала.

Последовательность преобразований можно отобразить следующей структурной схемой. Все преобразования в СПДС можно разделить на 3 группы:

— в передатчике;

— в приёмнике;

— в непрерывном канале связи.

Назначение преобразований в передатчике — представлять сообщение в виде сигнала z (t). Этот сигнал должен быть способным распространяться в К.С.

НКС — непрерывный канал связи;

ДМК — демодулятор канала связи;

ДКК — декодер канала;

ДКП — декодер получателя.

В непрерывном канале связи сигнал z (t) подвергается искажениям, из-за этого возникают на выходе НКС другой сигнал.

Задача преобразования в приемнике — это извлечь из него содержимое информации и представить в виде уровней для получения сообщения.

Передатчик, каждому сигналу ставит в соответствие и. Из-за искажений в канале связи сигнал может трансформироваться в. В приемнике всё множество искаженных сигналов по определённым правилам разбивается на К не пересекающихся подмножеств, которые называются множеством решений.

Каждая из областей решений однозначно соотносится с определёнными сообщениями, которое называется решением. Если при передаче сообщения, то ошибки не произошло. В противном случае получим ошибку. При теоретическом СПДИ и практической реализации аппаратуры преобразования на передаче и соответственно приёме выполняется в 2 этапа, которые представляют КИ и КК.

Преобразование сообщений в КИ и ДКП обычно выполняется только с учётом физических и статистических источников сообщения. При этом не принимают во внимание свойство непрерывных каналов связи. При кодировании и декодировании для КС стараются по возможности полно использовать характеристики непрерывного КС и здесь практически не учитываются свойства источника. Поэтому преобразование в передатчике и приёмнике представляется как 2-х этапное преобразование. Это связано с тем, что существуют методы построения помехоустойчивых систем которая базируется на теории помехоустойчивых сигналов и теории корректирующего кодирования. Суммарный и результирующий эффект кодирования и модулирования должен обеспечить заданные требования по скорости, верности и задержки сообщения.

3. Первичное кодирование дискретных сообщений

информация кодирование дискретный сообщение сигнал Дискретное сообщение (ДС) характеризуется счетным множеством своих символов. Это означает, что все ДС можно пронумеровать и вместо них передавать числа, а каждое число записать в системе исчисления. Одним из основных параметров кода является m. Эта величина соответствует объёму кодового алфавита, т. е. числу различных символов алфавита, каждому элементу сообщения соответствует некоторая последовательность кодовых символов называемой кодовой комбинацией. Таким образом в результате кодирования дискретная информация представляется в виде последовательности чисел, т. е. в цифровой форме. Любое целое число в системе исчисления с основанием m может быть представлено:

Кодом является .

При выборе основания кода учитывают фактор простоты, удобства и экономичности реализации цифрового представления информации, т.к. для представления одних и тех же чисел система счисления с различным m использует разное число разложений n, то оптимальную систему счислений считают ту, в которой для записи некоторого максимального используется минимальное число элементов.

Наиболее близкое основание m=3.

В технике связи передачи дискретных сообщений преобладают коды с основанием 2. Реже применяют многоосновные коды. Основной причиной использования двоичных кодов является простота реализации. Они обладают наибольшим быстродействием и малой чувствительностью к действию внешних помех.

Важным фактором является простота двоичной арифметики.

В КС в качестве переносчика чаще всего используется синусоидальное колебание или периодическая последовательность импульсов, реже используется стационарный ток или случайные процессы.

Каждый элемент кода в процессе модуляции превращается в отрезок переносчика длительностью. Кроме длительности, характеризуется значащей позицией. Существуют значащие моменты, где происходит смена значащих позиций.

Совокупность единичных элементов соответствующих одному символу называется кодовой комбинацией. При использовании кода с основанием m, модулируемый параметр может принимать m значений. Каждый элемент кода переносит какое-либо количество информации. Количество информации, которое содержится в одном элементе кодовой комбинации при их равновероятной передаче для двоичной системы:

Это максимальное количество.

Первичные коды могут разделяться на 2 группы: равномерные и неравномерные.

Неравномерные коды строят так, что их кодовые комбинации состоят из различного числа кодовых элементом.

Неудобство: из-за различного числа разрядов на приёме трудно различить комбинации друг от друга. При этом необходимо передавать дополнительные разделительные знаки. Это приводит к снижению скорости передачи (код Морзе).

Неравномерность затрудняет его автоматизированный прием. Поэтому используют равномерное кодирование — постоянное число единичных элементов во всех кодовых комбинациях. Количество их определяется максимальным числом подлежащих передаче символов. Общее число кодовых комбинаций равно. В телеграфии обычно требуется передавать 30−32 буквы, 10 цифр, 10−13 знаков препинания и служебных знаков, т. е. 50−55 символов. Однако для уменьшения разрядности кода удобно одними и теме же кодовыми комбинациями обозначить и буквы и цифры, но перекинь регистры, тогда необходимо комбинации уменьшать, равно 25−27 n=5 (32 комбинации) стандартный международный ТЛГ код (МТК-2). Кроме букв русского и латинского алфавита, цифр и знаков препинания он содержит функциональные символы: возврат каретки, пробел, перенос.

Развитие техники передачи данных, внедрение ЭВМ в систему управления привели к существенному увеличению числа передаваемых символов, поэтому был разработан KOI-7.

4. Количество информации и избыточность ДС.

Если сравнить код Морзе и МТК, то Морзе мене экономичен, т.к. при передаче одинаковых сообщений он требует в 2 раза больше времени. Но и МТК — 2 также не экономичен. Для того чтобы сравнивать информационную способность кода используется понятие энтропии — среднее количество информации в длинном источнике сообщения.

Если передавать к сообщений и они равновероятны, то, и тогда максимальная интерполяция:

Если все символы русского алфавита были равномерны, то энтропия была бы 5 бит/символ и тогда каждый элемент кода МТК-2 передавал бы максимальное количество информации — эффективное безизбыточное кодирование. Реально вероятность букв не одинакова :

бит/символ;

В связи с этим вводится понятие коэффициент избыточности — какая часть информации можно было бы предсказать заранее с учётом статистических свойств источника и не передавать её:

Для кода МТК-2 .

Для этого сообщение стараются кодировать так, чтобы в достаточно длинной последовательности кодовой комбинации символы 1 и 0 встречались с равной вероятностью. От избыточности стараются избавиться:

1) Метод: код Шенноно-Фано — алфавит источника строят в порядке уменьшения вероятности. Затем алфавит разбивается на группы и подгруппы, таким образом, чтобы обеспечить при каждом разбиении обеспечить одинаковую суммарную вероятность групп и подгрупп.

Код неравномерный, но не требует дополнительного разделения знаков, т.к. не одна короткая не является началом более длинной. Можно автоматизировать, но он абсолютно не помехоустойчив: искажение хотя бы одного элемента кода приводит к неправильному приёму групп символов.

2) Скремблирование — встречая длинную последовательность одинаковых символов оно их перемешивает. Обратную операцию выполняют дескремблеры.

Заключение

Начало практического использования было положено в 1872 году с изобретения телеграфа — это вид документаций электронных сведений, который обеспечивает передачу с помощью электрической энергии буквенно-цифрового текста.

В следующие 100 лет появились телефон, факсимильная связь, телевидение и передача данных.

Передача данных (ПД) — это передача информации в формализованном виде, предназначенного для её обработки техническими средствами или уже обработанные этими техническими средствами.

В настоящее время системы передачи дискретной информации (СПДИ) становятся все более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса из-за того, что дискретная передача предлагает несравненно большие возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговой передачи. Отличительным преимуществом всех СПДИ является простота восстановления дискретных сигналов по сравнению с аналоговыми системами.

Лидовский В. И. Теория информации. — М.: Высшая школа, 2002. — 120 с.

Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов. / В. И. Нефедов, В. И. Халкин, Е. В. Федоров и др. — М.: Высшая школа, 2001. — 383 с.

Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. — М.: Энергоатом издат, 2005. — 440 с.

Зюко А.Г., Кловский Д. Д., Назаров М. В., Финк Л. М. Теория передачи сигналов.? М: Радио и связь, 2001. — 368 с.

Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1104 с.